这是一个小论文,就是因为这个我和我的先生认识的,
量子物理的新世界
„Heute habe ich eine Entdeckung gemacht, die ebenso wichtig
ist wie die Entdeckung Newtons.“
Max Planck, Physiker
Licht ist zuerst einmal ein Wellenphänomen. Anders gesagt: Es breitet
sich als eine Welle aus, als eine Welle von elektrischen und magnetischen
Feldern.
Ein zugegebenermassen sehr abstraktes Konzept, jedoch alles,
worauf es uns jetzt ankommt, ist die Tatsache, dass es, wie bei
jeder Welle, auch hier eine Wellenlänge und eine Frequenz gibt.
Wenn wir uns kurz Wasserwellen vorstellen, so sehen wir grosse
und kleine Wellen. Die Wellenlänge ist einfach der Abstand zwischen
zwei Wellen, den wir auf einem Schnappschuss leicht sehen können.
Die Frequenz gibt dagegen an, wie oft eine bestimmte Stelle an der
Wasseroberfläche in der Sekunde auf und ab schwingt.
In genau der gleichen Weise hat auch Licht eine Wellenlänge und
eine Frequenz, nur sind diese weit weg von unseren Alltagserfahrungen.
Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist sehr klein. Sie beträgt
zwischen
0,4 und 0,7 eines Tausendstels eines Millimeters, ist also etwa hundertmal
kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Seine Frequenz ist sehr
hoch. Es schwingt in einer Sekunde etwa 500 Billionen Mal hin und her,
das ist eine Fünf mit 14 Nullen. Die Farbe des Lichts ist nun durch
ihre Wellenlänge gegeben. Die grösste Wellenlänge des
sichtbaren
Lichts ist rot; wenn die Wellenlänge kürzer wird, ändert sich die
Farbe über gelb und grün
zu blau. Die kürzesten Wellenlängen, die man sehen kann, sind violett.
Max Plank
Max Planck hat herausgefunden, dass das Licht aber nicht nur als Wellen
existiert, sondern auch als einzelnen, nicht teilbaren Stücken, den
sogenannten Quanten. Diese Quanten des Lichts, auch Photonen genannt,
besitzen eine fixe Energie, die ausschliesslich durch die Frequenz des
Lichts,
also die Farbe des Lichts, und eine völlig neue physikalische Grö
sse
festgelegt ist – das Planksche Wirkungsquantum. Dieses ist sehr klein,
man kann das daran sehen, dass eine durchschnittliche Glühlampe pro Sekunde
etwa 3 x 10 20 = 300 000 000 000 000 000 000 Photonen, also Lichtquanten,
aussendet.
Heute wissen wir, dass das Planksche Wirkungsquantum eine
universelle Naturkonstante ist. Solche universellen Naturkonstanten
sind von grosser Bedeutung für die physikalische Beschreibung der Welt.
Einer der wenigen, der die Quanten wirklich ernst nahm, war im Jahr
1905 Albert Einstein. Damals ging es um ein interessantes physikalisches Ph&
#228;nomen.
Es war seit einiger Zeit bekannt, dass Licht aus Metallplatten Elektronen,
kleine, geladene Teilchen, herauslösen kann.
Man versuchte nun zu verstehen, wie dies zustande kommt. Nach der damals g
228;ngigen Wellentheorie des Lichts wäre es notwendig, dass eine
einfallende Lichtwelle die Elektronen im Metall immer mehr aufschaukelt, bis
sie sich schliesslich von der Metalloberfläche wegreissen können.
Das würde aber einige Zeit dauern, so wie es bei einer Kinderschaukel
einige Zeit dauert, bis sie so stark schwingt, dass man sich nicht mehr auf
ihr aufhalten kann. Albert Einstein konnte das Problem lösen, indem er,
entsprechend der Idee von Max Planck, annahm, dass das Licht aus Quanten
besteht und diese einzelnen Quanten einfach direkt die Elektronen aus dem
Metall heraus stossen können. Damit konnte Einstein mit einem Schlag
erklären, dass Elektronen sofort aus einer Metallplatte herauskommen,
wenn man sie mit Licht beleuchtet, und nicht erst nach einiger Zeit, wie es
die Wellentheorie verlangen würde. Er konnte sogar angeben, mit welcher
Energie die Elektronen austreten. Dafür erhielt er 1922 den Nobelpreis. (
Seine Relativit 28;tstheorie wurde übrigens vom Nobelkomitee nie gewü
rdigt.)
Albert Einstein
„Ich glaube, mit Sicherheit behaupten zu können, dass heutzutage
niemand die
Quantenphysik versteht.“
Richard Feynman, Physiker
Diese Quantentheorie hat zu einem umfassenden, neuen Verständnis sehr
vieler verschiedener Phänomene in der Natur geführt. So ist zum
Beispiel die Chemie auf eine physikalisch erklaerbare Basis gestellt worden.
Ohne Quantenphysik hätten wir aber auch keine Laser, keine Halbleiter,
keine Computer und keine Handys. Dieser Wissenschaftszweig ist also sehr
erfolgreich.
Warum sollte es mit der Quantenphysik also ein Problem geben? Die
Schwierigkeit liegt darin, dass sie ein Verhalten von Quantenteilchen
vorhersagt, das unserem üblichen Alltagsverständnis vollkommen
widerspricht.
Um zu sehen, wie sich diese Quanten auf das Betrachten von Gegenständen
auswirken, machen wir jetzt einen Ausflug in die Welt des Allerkleinsten.
Betrachten wir das Blatt, auf dem gerade diese Zeilen geschrieben stehen.
Woher wissen wir, dass da ein Blatt Papier vor uns liegt? Wissen wir es,
weil wir es sehen, weil wir es betasten können? Auf alle Fälle
sind zwei Dinge nötig, um zu dem Schluss zu kommen, dass hier ein Blatt
Papier vor uns liegt. Zum ersten benötigen wir eine Reihe von
Sinneseindrücken. Am wichtigsten sind die optischen Eindrücke. Zum andern
müssen wir jedoch bereits in unserem Kopf eine Idee davon haben, was es
bedeutet, dass ein Gegenstand als Papier bezeichnet werden kann. Diese Idee,
dieses Konzept „Blatt Papier“, bedeutet ein Zurückführen auf frü
here Erfahrungen, auf Papiere, die wir schon zu einem früheren Zeitpunkt
gesehen haben, die wir schon früher berührt oder gelesen haben. Wenn wir
also das, was vor uns liegt, als Papier bezeichnen, bedeutet dies, dass
unsere Sinneseindrücke uns wichtig erscheinende Merkmale mit dem ü
bereinstimmen lassen, was wir unter Papier verstehen. Wir benötigen
also unsere Sinneseindrücke und die Konzepte in unserem Kopf, die wir mit
diesen Sinneseindrücken vergleichen. Sinneseindrücke in irgendeiner Form
wahrzunehmen,
bedeutet letztlich eine Wechselwirkung mit dem betrachteten Objekt. Wenn wir
das Blatt ansehen und uns ein Bild von ihm machen, muss es natürlich
beleuchtet sein, denn ohne das Licht können unsere Augen nichts
wahrnehmen. Dem Blatt hingegen wird es ziemlich egal sein, ob es beleuchtet
ist oder nicht. Seine Eigenschaften sind unabhängig davon, ob wir es
betrachten oder nicht. Was geschieht nun, wenn wir das Blatt immer kleiner
und kleiner machen, wenn wir zu immer kleineren Objekten übergehen und
gleichzeitig das Licht immer mehr zurückdrehen? Man sollte meinen, dass man
Licht beliebig schwach machen könnte, in dem man die Lichtquelle immer
stärker zurückdreht. Dies hätte man in der klassischen Physik
tatsächlich auch genau so angenommen. Die Quantennatur des Lichts l
228;sst das aber nicht zu, da es aus kleinsten, unteilbaren Teilchen, eben
den Quanten des Lichts, besteht. Mit weniger als einem Quant können wir
das Blatt also nicht beleuchten. Dieses Lichtquant wird nun dem
betrachteten Gegenstand, zum Beispiel einem Atom des Blatts, einen Stoss
geben, ihn also verändern. Wenn wir ein sehr kleines Objekt beobachten,
verändern wir es notgedrungen. Wie das Objekt vor seiner Beobachtung
gewesen ist, können wir also nie erkennen. Das ist eine bedeutende
Erkenntnis.